烘繭溫濕度連續(xù)動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

李富超，陳慶官，孟 凱，張 鑫，魏為柱

(蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

烘繭溫濕度連續(xù)動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

李富超，陳慶官，孟 凱，張 鑫，魏為柱

(蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

針對(duì)現(xiàn)行烘繭工藝中溫度的定點(diǎn)測量及沒有濕度測量的問題，自行研制出了烘繭溫濕度連續(xù)動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對(duì)CL-100型循環(huán)式熱風(fēng)烘繭機(jī)內(nèi)部溫濕度進(jìn)行了實(shí)際測量，并分析了烘繭機(jī)內(nèi)溫濕度的變化情況。結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全適合于烘繭機(jī)內(nèi)的溫濕度測量，系統(tǒng)的應(yīng)用將有助于烘繭人員制訂合適的烘繭工藝，提高烘繭質(zhì)量。

烘繭；溫濕度；動(dòng)態(tài)測量

烘繭工序的目的是烘殺蠶蛹和寄生蠅蛆，防止出蛆、出蛾，同時(shí)去除適量的水分，防止霉?fàn)€變質(zhì)，利于儲(chǔ)藏。烘繭過程中的溫濕度控制至關(guān)重要，溫度適當(dāng)與否，對(duì)繭層絲膠變性影響非常顯著，與生絲品質(zhì)、制絲生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益關(guān)系重大。如烘繭溫度過高，會(huì)使繭層過干，不但絲膠變性加劇，而且會(huì)使繭層色澤變黃，解舒惡化，影響絲質(zhì)。濕度對(duì)繭絲成績的影響與溫度、氣流等因素綜合發(fā)生作用，既不能過高，也不能過低。高溫多濕，會(huì)使絲膠變性，膠著力增大，以致降低絲膠溶解度；高溫低濕，由于熱力對(duì)繭絲的影響，繭的解舒變差；低溫低濕，雖有絲膠變性小、解舒好的優(yōu)點(diǎn)，但要延長烘繭時(shí)間，降低烘力[1]。因此，了解烘繭過程中溫濕度的連續(xù)變化情況，為烘繭溫濕度調(diào)節(jié)和控制提供有利的依據(jù)，一直是制絲企業(yè)的需求。

然而，在目前的烘繭工藝中，無論是采用煤灶還是烘繭機(jī)，都沒有涉及濕度的測量，溫度的測量也是局限于定點(diǎn)測量。基于此，筆者自行研制了一套烘繭溫濕度連續(xù)動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對(duì)CL-100型循環(huán)式熱風(fēng)烘繭機(jī)內(nèi)的溫濕度進(jìn)行了實(shí)際測量和分析，以驗(yàn)證該系統(tǒng)用于烘繭溫濕度測量的可行性和有效性，為系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 溫濕度連續(xù)動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)

烘繭溫濕度連續(xù)動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩部分。硬件部分主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、暫存和傳輸，軟件部分主要是實(shí)現(xiàn)相關(guān)指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收處理。

1.1 硬 件

硬件部分主要是一個(gè)圓柱形測量體(結(jié)構(gòu)示意見圖1)，它是整個(gè)測量系統(tǒng)的核心部件，主要負(fù)責(zé)溫濕度原始數(shù)據(jù)的采集和暫存。測量體主要由溫濕度傳感器1、輔助部件2～5、電路板6等幾部分組成。

圖1 測量體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of tester's structure

溫濕度傳感器1采用瑞士Sensirion公司推出的高度集成的溫濕度傳感器芯片SHT7X系列，它采用CMOSens?技術(shù)，確保了產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器將溫度傳感器、濕度傳感器、信號(hào)放大器、14位A/D轉(zhuǎn)換器和串行接口電路集成在一個(gè)芯片上(傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意見圖2[2])，并在極為精確的濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定，以鏡面冷凝式濕度計(jì)為參照，輸出全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)[3]。溫濕度傳感器采用銅燒結(jié)網(wǎng)的防護(hù)探頭封裝，不但具有防水、防塵、耐損和耐壓的功能，而且更換極為方便。

圖2 SHT7X系列溫濕度傳感器芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框Fig.2 Block diagram of SHT7X series temperature and humidity sensor

電路板6放在中空的布基聚酯纖維筒4中，將聚酯纖維筒底蓋5擰緊后，能形成密閉空間，可有效防止內(nèi)外熱對(duì)流；聚酯纖維筒外面是真空隔熱筒7，在聚酯筒外側(cè)面和隔熱筒內(nèi)表面分別貼一層錫箔紙3，能降低熱輻射；將隔熱筒蓋子2擰緊后，聚酯筒和隔熱筒之間所留空隙形成密閉的空氣層，能降低熱傳導(dǎo)。這些措施使電路板上的電子元件能夠不受測量體外部高溫環(huán)境的影響而正常地工作。測量體外殼采用不銹鋼材料，整體呈圓柱形，測量時(shí)可以隨繭網(wǎng)一起滾動(dòng)，且經(jīng)得起碰撞，整個(gè)測量體完全適合烘繭環(huán)境。當(dāng)測量體測量完畢后，數(shù)據(jù)通過RS-232串行通信接口，以串行異步半雙工的通信方式將暫存在測量體中的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。

1.2 軟 件

烘繭溫濕度連續(xù)動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)的軟件包括兩部分，一部分是測量體中單片機(jī)的匯編語言程序，用于發(fā)送相關(guān)指令；另一部分是上位機(jī)中用LabVIEW語言編寫烘繭系統(tǒng)軟件，主要用于對(duì)測量數(shù)據(jù)的接收和處理。

在測量體中，單片機(jī)PIC16F628是各電子元件控制中心，24C64作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片負(fù)責(zé)暫存SHT7X系列溫濕度傳感器輸出的溫濕度原始數(shù)據(jù)。測量體上電后，單片機(jī)內(nèi)部的程序就開始運(yùn)行(PIC單片機(jī)程序流程見圖3)，首先檢查與24C64寫保護(hù)引腳相連的單片機(jī)引腳電平的高低，如果是高電平，則說明數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片處于寫保護(hù)狀態(tài)，測量體進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送模式；相反，如果是低電平，測量體進(jìn)入數(shù)據(jù)測量模式。

圖3 PIC單片機(jī)程序流程Fig.3 Flow chart of PIC microcontroller

在正式進(jìn)行測量之前，測量體需要先經(jīng)過一個(gè)預(yù)熱階段，單片機(jī)向傳感器發(fā)送寫狀態(tài)寄存器指令，并將傳感器狀態(tài)寄存器bit2置1，啟動(dòng)傳感器內(nèi)部的加熱器，使傳感器內(nèi)部的溫度逐漸升高至周圍環(huán)境溫度之上，這樣能防止水蒸氣在傳感器芯片內(nèi)部結(jié)露，維持測量體較高的測量精度。在預(yù)熱階段，傳感器輸出的溫濕度數(shù)據(jù)并不被保存，因?yàn)樗鼫y量的是傳感器內(nèi)部而非周圍環(huán)境的溫濕度，可趁此階段做些準(zhǔn)備工作，將測量體各部件安裝好并放置于待測位置。等預(yù)定的加熱時(shí)間過后，單片機(jī)向傳感器發(fā)送軟復(fù)位指令，關(guān)閉傳感器內(nèi)部的加熱器，測量體進(jìn)入正式的測量階段。

測量階段，單片機(jī)每10 s向溫濕度傳感器發(fā)送一次溫度和濕度測量指令，并接受其輸出的溫濕度原始數(shù)據(jù)，送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片中暫存。當(dāng)查詢子程序查詢到測量時(shí)間到時(shí)，停止溫濕度數(shù)據(jù)測量。

待取出測量體后，將其通過RS-232串行通訊接口與上位機(jī)相連，使其進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送模式。烘繭系統(tǒng)軟件所處的PC機(jī)作為主機(jī)對(duì)串行傳輸總線擁有控制權(quán)，測量體作為從機(jī)，響應(yīng)主機(jī)的各種指令。首先，主機(jī)作為發(fā)送器向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸指令，從機(jī)作為接收器接受傳輸指令；其次，從機(jī)又作為發(fā)送器向串行總線發(fā)送數(shù)據(jù)，主機(jī)又作為接收器從串行總線中讀取數(shù)據(jù)。由于接收到的溫濕度原始數(shù)據(jù)，是二進(jìn)制的形式，而且對(duì)傳感器的電源電壓和測量精度具有一定的依賴性，所以，烘繭系統(tǒng)軟件需要經(jīng)過進(jìn)一步的修正和轉(zhuǎn)換后才能得到最終的溫濕度數(shù)據(jù)[4]。最終的溫濕度數(shù)據(jù)將以文件的形式存儲(chǔ)在上位計(jì)算機(jī)中，可隨時(shí)對(duì)其進(jìn)行打印、移動(dòng)存儲(chǔ)等處理。

2 烘繭工藝溫濕度測試與分析

在利用CL-100型循環(huán)式熱風(fēng)烘繭機(jī)對(duì)蘇北某縣春蠶繭進(jìn)行二次干法烘繭(頭烘和二烘)的工藝中，將該測量系統(tǒng)的測量體分別置于烘繭機(jī)繭網(wǎng)的左、中、右3個(gè)位置，對(duì)烘繭機(jī)內(nèi)氣體溫濕度進(jìn)行實(shí)際的測量，測量結(jié)束后，取出測量體，通過串口將數(shù)據(jù)傳送給上位計(jì)算機(jī)，上位機(jī)中的烘繭系統(tǒng)軟件接收數(shù)據(jù)并經(jīng)過處理后，分別得到頭烘和二烘階段烘繭機(jī)繭網(wǎng)左、中、右3個(gè)位置的溫濕度均值和極差曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 頭烘溫濕度均值極差曲線Fig.4 Curve graph of mean and range of temperature and humidity in fi rst drying

圖5 二烘溫濕度均值極差曲線Fig.5 Curve graph of mean and range of temperature and humidity in second drying

頭烘階段是蠶繭干燥過程中的預(yù)熱與等速干燥階段，一般采用100～110 ℃的溫度和8 %～12 %的濕度為宜[5]。CL-100型循環(huán)式熱風(fēng)烘繭機(jī)有6段，烘繭過程在150 min左右，平均每段在25min左右，段與段的分隔處溫度會(huì)有突然變化的趨勢。從圖4可看出，從烘繭機(jī)的第1段到第6段，溫度呈遞減趨勢，這是由烘繭機(jī)自身機(jī)構(gòu)和熱風(fēng)輸送方式所決定的，熱風(fēng)由上向下垂直于鋪繭面輸送[6]，一方面要受到繭層的阻力，另一方面上段繭層干燥過程中會(huì)吸收一部分熱量而致使輸送到下段的熱風(fēng)的能量有所降低。出現(xiàn)3段溫度比2段溫度高的現(xiàn)象，是因?yàn)閮?nèi)部的隔板將干燥室分成高溫區(qū)和中低溫區(qū)兩部分(第1、2段處于高溫區(qū)，第3～6段處于中低溫區(qū))，并分別采用獨(dú)立的熱源和送風(fēng)系統(tǒng)的緣故[7]。根據(jù)第1段溫度的極差和均值曲線可推知第1段溫度有超過125 ℃的現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致絲膠產(chǎn)生急性變性，降低蠶繭的煮繭抵抗力，不利于保護(hù)繭質(zhì)。5、6段溫度在60 ℃以下，溫度偏低，降低了蠶繭的干燥速度，不利于蛹體水分的蒸發(fā)。根據(jù)頭烘溫度極差曲線可知，高溫區(qū)溫差在20 ℃左右，中低溫區(qū)的溫差在30 ℃左右，這使蠶繭受熱不勻，導(dǎo)致蠶繭頭烘質(zhì)量不勻。根據(jù)頭烘濕度均值、極值變化曲線可知，烘繭機(jī)第4～6段平均濕度在20 %～40 %之間，而且濕度差異在30 %左右，在等速干燥階段，容易導(dǎo)致繭層絲膠分子反復(fù)多次吸濕、放濕，引起大分子空間結(jié)構(gòu)改變，加劇絲膠變性，使繭絲間膠著力增大，解舒變劣。

二烘階段是蠶繭的減速干燥階段，一般采用80～90 ℃的溫度和25 %～35 %的濕度為宜[5]。圖5中的二烘溫度均值曲線進(jìn)一步證實(shí)了烘繭機(jī)內(nèi)溫度是呈逐段遞減的趨勢。但對(duì)比頭烘、二烘溫度和濕度均值曲線不難發(fā)現(xiàn)，烘繭機(jī)各段的二烘溫度高于頭烘溫度，二烘濕度低于頭烘濕度，這不符合蠶繭的干燥規(guī)律，減速干燥階段使用高溫低濕，容易使繭層絲膠變性顯著，造成“繭層失水”而影響干繭解舒。從二烘溫度和濕度極差曲線可看出，二烘期間烘繭機(jī)內(nèi)溫度差和濕度差明顯小于頭烘，這和二烘溫度偏高一致，極可能是由于蠶繭頭烘偏嫩而采取增大送風(fēng)量的措施加以補(bǔ)救造成的。

發(fā)現(xiàn)上述問題后，與烘繭技術(shù)人員進(jìn)行了溝通，決定在頭烘階段、高溫區(qū)稍微降低送風(fēng)量以避免溫度過高而使絲膠產(chǎn)生急性變性，中低溫區(qū)加大送風(fēng)量和排風(fēng)量以增加溫度，降低濕度，使蛹體水分充分蒸發(fā)，防止蠶繭頭烘偏嫩；在二烘階段，采取適當(dāng)減少送風(fēng)量和排風(fēng)量的措施，降低溫度，增加濕度，從而避免繭層失水，有效地保護(hù)繭質(zhì)。根據(jù)后續(xù)工序相關(guān)技術(shù)人員的質(zhì)量檢測報(bào)告得知，干繭解舒率在68 %以上，生絲清潔度在99分以上，凈度在95分以上，有效地證明了烘繭階段所采取改進(jìn)措施的合理性。

3 結(jié) 語

介紹了一套烘繭溫濕度連續(xù)動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對(duì)CL-100型循環(huán)式熱風(fēng)烘繭機(jī)內(nèi)的溫濕度進(jìn)行了實(shí)際測量和分析。測量結(jié)果表明，系統(tǒng)溫濕度傳感器的選擇、隔熱性能的設(shè)計(jì)及外形設(shè)計(jì)等均滿足了高溫烘繭環(huán)境的使用。另外，使用該系統(tǒng)可獲得烘繭機(jī)內(nèi)溫濕度的連續(xù)變化情況，有助于分析烘繭工藝中存在的問題，為烘繭溫濕度的控制和調(diào)節(jié)提供依據(jù)，對(duì)提高烘繭質(zhì)量十分有利。

[1]蘇州絲綢工學(xué)院，浙江絲綢工學(xué)院.制絲學(xué)[M]. 北京：紡織工業(yè)出版社，1980：46-47.

[2]高葵.基于Sensirion SHT系列傳感器的分布式溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29(21)：5476-5478.

[3]盛世瑞恩.數(shù)字溫濕度傳感器SHT1X/SHT 7X[Z].http://www.yesiya.com/sensor/pdf/SHTxx_2.04.pdf.

[4]楊金生，田志宏.基于SHT71的溫濕度無限遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(2)：51-54.

[5]蘇州絲綢工學(xué)院，浙江絲綢工學(xué)院.制絲學(xué)：上冊(cè)[M].2版.北京：紡織工業(yè)出版社，1993：78-79.

[6]李龍友.CL-100型熱風(fēng)烘繭機(jī)的研制與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)[J].中國蠶業(yè)，2002，23(3)：28-30.

[7]張立東，聶昌虎，宋立高.熱風(fēng)烘繭機(jī)烘繭應(yīng)用試驗(yàn)初報(bào)[J].四川蠶業(yè)，2001(1)：15-17.

Consecutive and dynamic measuring system of cocoon drying temperature and humidity and its practical application

LI Fu-chao, CHEN Qing-guan, MENG Kai, ZHANG Xin, WEI Wei-zhu
(College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China)

In reaction to the problems of fixed point measurement of temperature and no measurement of humidity in current cocoon drying process, a consecutive and dynamic measuring system of cocoon drying temperature and humidity has been developed, with which the temperature and humidity of gas in the CL-100 Hot-air Circulating Cocoon Dryer is measured practically to analyze the changes of temperature and humidity inside the cocoon dryer. The results indicate that the system is completely suitable for the measurement of temperature and humidity in cocoon dryers and its application will help to formulate proper cocoon drying process and improve the cocoon drying quality.

Cocoon drying; Temperature and humidity; Dynamic measurement

TS142

B

1001-7003(2011)04-0021-03

2010-11-12

江蘇省農(nóng)業(yè)三項(xiàng)工程項(xiàng)目(sx[2009]91)

李富超(1983－ )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榧徔棓?shù)字化技術(shù)。通訊作者：陳慶官，教授，博導(dǎo)，qgchen@suda.edu.cn。